Bộ thu năng lượng mặt trời để cấp nước nóng

Bộ thu phẳng

Hình 4.4. Cấu tạo Collectorhấp thụ nhiệt1- Lớp cách nhiệt, 1. Lớp đệm tấm phủ trong suốt,

3- Tấm phủ trong suốt, 4 - Đường nước nóng ra, 5 - Bề mặt hấp thụ nhiệt, 1. Lớp tôn bọc,

2. Đường nước lạnh vào, 8- Khung đở Collector

Không thể có một kiểu Collector nào mà hoàn hảo về mọi mặt và thích hợp cho mọi điều kiện, tuy nhiên tùy theo từng điều kiện cụ thể chúng ta có thể tạo cho mình một loại Collector hợp lý nhất. Trong các bộ phận cấu tạo nên Colletor, bộ phận quan trọng nhất và có ảnh hưởng lớn đến hiệu qủa sử dụng của Collector là bề mặt hấp thụ nhiệt. Sau đây là một số so sánh cho việc thiết kế và chế tạo bề mặt hấp thụ nhiệt của Collector mà thỏa mãn một số chỉ tiêu như: giá thành, hiệu quả hấp thụ và mức độ thuận tiện trong việc chế tạọ

Sau đây là 3 mẫu Collector có bề mặt hấp thụ nhiệt đơn giản, hiệu quả hấp thụ cao có thể chế tạo dễ dàng ở điều kiện Việt nam.

Hình 4.6. Dải tấm hấp thụ được đan xen vào bề mặt hấp thụ dạng dãy ống

Hình 4.7. Bề mặt hấp thụ dạng tấm

Sau khi thiết kế chế tạo, đo đạc tính tóan và kiểm tra so sánh ta thu được bảng tổng kết sau:

Loại bề mặthấp thụ Dạng ốnghình rắn Dạng dãy ống Dạng dãyống Dạngtấm Cách gắn vớitấm hấp thụ Đan xenvào

nhau Dùng vòng dây kim loại Đan xenvào nhau Hàn đính Hiệu suấthấp thụ nhiệt Giảm 10% Giảm 10% Chuẩn Bằng

Giá của vật liệuvà năng

lượng ctạo Giảm 4% Tăng 2% Chuẩn

Tăng 4% Thời gian cần gia công

chế tạo Giảm 20% Giảm 10% Chuẫn

Tăng 50% Từ các kết quả kiểm tra và so sánh ở trên ta có thể rút ra một số kết luận như sau:

1. Loại bề mặt hấp thụ dạng dãy ống có kết quả thích hợp nhất về hiệu suất hấp thụ nhiệt , giá thành cũng như công và năng lượng cần thiết cho việc chế tạọ Tuy nhiên nếu trong trường hợp không có điều kiện để chế tạo thì chúng ta có thể chọn loại bề mặt hấp thụ dạng hình rắn. Bề mặt hấp thụ dạng tấm cũng có kết quả tốt như loại dạng dãy ống nhưng đòi hỏi nhiều công và khó chế tạo hơn. 2. Tấm hấp thụ được gắn vào ống hấp thụ bằng cách đan xen từng dải nhỏ là có

hiệu quả nhất. Ngoài ra tấm hấp thụ có thể gắn vào ống hấp thụ bằng phương pháp hàn, với phương pháp này thì hiệu quả hấp thụ cao hơn nhưng mất nhiều thời gian và giá thành cao hơn.

Tính toán bộ thu phẳng

Khảo sát panel mặt trời với hộp thu kích thước axbx?, khối lượng mo, nhiệt dung riêng Co được làm bằng thép dày ?t, bên trong gồm chất lỏng tĩnh có khối lượng m, và lưu lượng G[kg/s] chảy liên tục qua hộp. Xung quanh hộp thu bọc 1 lớp cách nhiệt, tỏa nhiệt ra không khí với hệ số ?. Phía trên mặt thu F1= ab với độ đen ? là 1 lớp không khí và 1 tấm kính có độ trong D. Chiều dày và hệ số dẫn nhiệt của các lớp này là ?c, ?k , ?K và ?c, ?k, ?K.

Cường độ bức xạ mặt trời tới mặt kính tại thời điểm ? là E(?) = Ensin?(? , với ?(? ) = ?? là góc nghiêng của tia nắng với mặt kính, ? = 2? /?n và ?n = 24 x 3600s là tốc độ góc và chu kỳ tự quay của trái đất, En là cường độ bức xạ cực đại trong ngày, lấy bằng trị trung bình trong năm tại vĩ độ đang xét. Lúc mặt trời mọc ? = 0, nhiệt độ đầu của panel và chất lỏng bằng nhiệt độ to của không khí ngoài trờị

Cần tìm hàm phân bố nhiệt độ chất lỏng trong panel theo thời gian ? và tất cả các thông số đã cho: t = t (?, ab??t, mọCo, m.Cp, ? D F1 , G, ?c, ?k , ?K, ?c, ?k, ?K , ?, to , ?, En ).

Các giả thiết khi nghiên cứu:

• Panel được đặt cố định trong mỗi ngày, sao cho mặt thu F1 vuông góc với mặt phẳng quỹ đạo trái đất.

Lập phương trình vi phân cân bằng nhiệt cho hộp thu:

Khi panel đặt cố định (tĩnh). Xét cân bằng nhiệt cho hệ gồm chất lỏng và hộp kim loại, trong khoảng thời gian d? kể từ thời điểm ?.

Mặt F1 hấp thụ từ mặt trời 1 lượng nhiệt bằng: ?Q1 = ?1DEnsin??. F1.sin??.d?, [J].

Hình 4.8. Mô hình tính toán bộ thu phẳng

Lượng nhiệt ?Q1 được phân ra các thành phần để: - Làm tăng nội năng vỏ hộp dU = mọCodt,

- Làm tăng entanpy lượng nước tĩnh dIm = m.Cpdt , - Làm tăng entanpy dòng nước dIG = Gd? Cp (t - to) ,

- Truyền nhiệt ra không khí ngoài trời qua đáy F3 = ab và các mặt bên F2 = 2?(a+b) với hệ số truyền nhiệt k3 = k2 =  δλcc + 1α  − 1, qua mặt thu F1= ab với k1 =  δλkk + δλK (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

K + 1,3α1  − 1

Vậy có tổng lượng nhiệt bằng ?Q2 = (k1F1 + k2F2 + k3F3) (t - to) d? ;

?1DEt Ft sin2 ?(?) d? = dt ?miCi + (GCp + ? ki Fi) (t - to) d?. Sau phép đổi biến T(?) = t(?) - to và đặt a = ε∑DEnFmiCi1 = CP, [K/s],

b = GCp∑+ ∑miCikiFi = WC, [s-1] thì phương trình cân bằng nhiệt cho panel tĩnh là: T’(?) + bT(?) = a sin2(??) (4.1)

với điều kiện đầu T(0) = 0 (4.2)

Khi panel động được quay để diện tích hứng nắng luôn bằng F1, thì mặt F1 hấp thụ được: ?Q1 = ?1DEnsin??. F1.d?, [J]. Do đó, tương tự như trên, phương trình cân bằng nhiệt cho panel động có dạng:

T’(?) + bT(?) = a sin(??) (4.3) với điều kiện đầu T(0) = 0 (4.4) Xác định hàm phân bố nhiệt độ:

Hàm nhiệt độ trong panel tĩnh sẽ được tìm ở dạng T(?) = Ẳ) e-b?. Theo phương trình (3.1) ta có:

A (?) = ả eb? sin2??.d? = a2? eb? (1- cos2??)d? = 2ba( eb? - I )

với: I = ? cos2?? .deb? = ebτb (2ωsin2ωτ+bcos2ωτ) −  2ωb 2I

tức là: I = bebτ

4ω2 +b2 [2?sin2?? + bcos 2??] + C1

Hằng số C1 được xác định theo điều kiện đầu T(0) = 0 hay Ă0) = 0, tức là C1 = 1

1 + (b/ 2ω)2

. Do đó, hàm phân bố nhiệt độ chất lỏng trong panel tĩnh có dạng: T(?) = 2ba[1- b

4ω2 +b2(2?sin2?? + bcos2??) - e−bτ

1 + (b/ 2ω)2] (4.5)

Nếu dùng phép biến đổi (Asinx + Bcosx) = √A2+B2sin (x + artg BA) thì hàm (3.5) sẽ có dạng:

T(?) = 2ba[1- √ b

b2 + 4ω2sin(2?? + artg 2ωb ) - e−bτ

Số hạng cuối của tổng có giá trị nhỏ hơn 1 và giảm rất nhanh, nên khi ? >1h có thể bỏ quạ

Hàm nhiệt độ trong panel động là nghiệm của hệ phương trình (4.3), (4.4), được tìm như cách trên, sẽ có dạng:

Tđ(?) = a

b√1 + (ω /b)2[sin(?? + artg ωb ) - √ e−bτ

1 + (b/ ω)2] (4.7)

Số hạng sau của tổng luôn nhỏ hơn 1 và giảm khá nhanh, nên khi ? >2h có thể bỏ quạ Các hàm phân bố (4.6) và (4.7) sẽ được mô tả ở hình 4.9 và hình 4.10.

Lập công thức tính toán cho panel tĩnh và động:

Sử dụng các hàm phân bố (4.6) và (4.7) dễ dàng lập được các công thức tính các thông số kỹ thuật đặc trưng cho panel tĩnh và động.

Panel tĩnh đạt nhiệt độ cực đại Tm = 2ba (1+ b √b2 + 4ω2) lúc ?m = ?n( 38 − 4π1artg2ωb ).

Panel động đạt nhiệt độ cực đại Tđm = a (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

b√1 + (ω /b)2> Tm lúc ?đm = ?n( 14 + 2π1artgωb).

Sau khi tính nhiệt độ trung bình trong 1 ngày nắng cho mỗi panel theo công thức: Tn =

2τn∫ τn∫

0

τn/ 2T(τ)dτ,

Và dễ dàng tìm được công suất nhiệt hữu ích trung bình Qn= GCpTn, [W], lượng nhiệt thu được mỗi ngày Q = 12τnQn, [J], .v.v.

Hiệu suất nhiệt panel ? = ¯Qn

EF1

với¯E= τ2 n∫

0

τn/ 2Ensin2πττ

ndτ = 2πEn. Các công thức cụ thể cho các loại panel được giới thiệu ở bảng 4.2.

Các số liệu tính toán cho panel 1 m2 tĩnh và động:

, mặt thu F1 = 1m2 , độ đen ? = 0,95, lớp không khí dày ?k = 0,01m, tấm kính dày ?K = 0,005 m , ?K = 0,8 W/mK , độ trong D = 0,95, lớp cách nhiệt bông thủy tinh dày ?C = 0,02 m, ?C = 0,055W/mK, dòng nước qua panel có G = 0,002 kg/s với nhiệt độ to = 30oC. Cường độ bức xạ cực đại En, lấy trung bình trong năm tại Đà nẵng, ở vĩ độ 16o bắc, là En = 3651 ∑Eni= 940 W/m2.

Hình 4.9. Hàm nhiệt độ khi tĩnh t(?) và khi động tđ(?) của panel 1m2 có W > WS Bảng 4.1. Các số liệu tính toán cho panel 1m2

Thông số tính toán Công thức tính Giá trị Đơn vị

Hệ số tỏa nhiệt ra không khí ? = Σδiλk C(GrPr)n 8,5 W/m2K Hệ số truyền nhiệt lên trên k1 =  λδkk + δλK

K + 1,3α1  − 1 2,2 W/m2K Hệ số truyền nhiệt qualớp cách nhiệt k2 =  λδCC+ α1  − 1 2,1 W/m2K Khối lượng vỏ hộp thu m0 = ?t ?t (2F1 + 4 ?) 16 kg

Khối lượng nước tĩnh m = ? F1 (? - 2 ?t) 8 kg

Dòng nhiệt dung qua hộp W = GCP + ?ki Fi 12,7 W/K

Công suất hấp thụ max P = ? D EnF1 853,8 W

Tốc độ gia nhiệt max a = PC 0,021 K/s

Tần số dao động riêngcủa panel b = WC 3,13.10-4 s-1

Tốc độ góc tia nắng ? = 2πτn 7,27.10-5 rad.s-1

Bảng 4.2. Công thức chung tính các thông số kỹ thuật đặc trưng và các số liệu cho panel nước nóng 1m2 có W > WS.

Thông số đặc trưng

Panel tĩnh Panel động

Công thức tính Số liệu Công thức

tính Số liệu

Độ gianhiệt max Tm =a (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

2b(1 + a

√b2 + 4ω2) 64 oC Tđm = b√1 + (ω /a b)2 65,4 oC Nhiệt độ max tm=tơa

2b(1 + b √b2 + 4ω2) 94 oC Tđm = tơ a b√1 + (ω /b)2 95,4 oC Thời điểmđạt Tm ?m=?n  38 − 4π1artg2ωb  6,8h ?đm=?n  14 + 2π1 artgωb  6,9h

Nhiệt độcuối ngày tc = to + 2aω2

b(4ω2 +b2) 36 oC tđc = to + ω2 +aωb2 45 oC Độ gia nhiệt TB Tn= 2ba 34 oC Tđn= aω2 + 2b2

πbω2 +b2 42 oC Công suất hữu ích

TB Qn= a 2bGCp 280 W Qđn= GCpaω2 + 2b2 πbω2 +b2 349 W Sản lượng nhiệt 1 ngày Q = aτn4bGCp 12MJ Qđ=GCp τn 2 aω2 + 2b2 πbω2 +b2 15MJ Sản lượngnước nóng M = τn 2G, tn = to + Tn 86kgở 64oC M = τn 2G, tđn = to + Tđn 86kgở 72oC

Hiệu suất nhiệt

panel ?=

πaGCp

4bEnF1 46% ?= GCpaω2 + 2b2

2bEnF1ω2 +b2 58% Điều kiện để chất lỏng sôi trong panel:

Để thu được nước sôi có nhiệt độ ts cần có điều kiện tm ? ts hay Tm ? ts - to = Ts. Điều kiện sôi trong panel động là:

Tđm = P

C√b2 + ω2 ? Ts hay b = WC ?√ CTsP 2− ω2

Do đó cần chọn C và W sao cho thỏa mãn 2 điều kiện: C = ? miCi ? ωTsP = εDEnF1τn

2π(ts−to) = CS, [J/K]

W = GCp+ ? kiFi ?√ TsP 2− (Cω)2=ω√CS2−C2= WSđ , [W/K] Điều kiện thứ 2 sẽ được đáp ứng nếu ? kiFi < WSđ và chọn G ? Cp1 (WSđ - ? kiFi).

Điều kiện sôi trong panel tĩnh là: Tm = 2ba (1 + a

√b2 + 4ω2)? TS hay W ? 2TP

S[1 + 1

√1 + (2ωC /W)2]. Điều kiện này sẽ được đáp ứng nếu chọn:

C < CS , ? kiFi < WS và G < Cp1 (WS - ? kiFi). = GS,

với WS là nghiệm của phương trình WS = 2TPS[1 + 1

√1 + (2ωC /WS)2]

Với panel 1 m2 đặt tại Đà nẵng, thì CS = 167 kJ/K, WSđ = 11,8 W/K, Ws=11,5W/K, GS = Cp1 (WS - ? kiFi) = 0,0017 kg/s.

Công thức tính thời gian và lượng nước sôi:

Thời điểm đạt nhiệt độ sôi tS được xác định bởi phương trình t(?S) = tS hay T(?S) = tS-to = TS.

Giải phương trình T(?S) = TS cho mỗi loại panel, sẽ thu được 2 nghiệm ?S1, và ?S2. Thời gian sôi sẽ là ?? = ?S2 - ?S1 và lượng nước sôi thu được là GS = G??S. Các công thức tính ?S1,?S2, ??S, GS sẽ đươc giới thiệu ở bảng 3.3.

Với panel ở trên , đã có C < CS , ? kiFi < WS , nếu chọn G =0,001kg/s <GS thì sẽ đạt được điều kiện sôi cả khi tĩnh và khi động, các quá trình sôi được mô tả ở hình 2.10. Bảng 4.3. Các công thức nhiệt và các số liệu cho panel nước sôi1m2 có W < WS. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Thông sốđặc trưng Panel tĩnh Panel động Công thức tính Sốliệu Công thức tính Số liệu Thời điểmbắt đầu sôi ?s1= τn 4π[π −artg2ωb + +arsin(2bTS−a)√b2 + 4ω2 ab ] 5,1h ?đs1= τn 2π[artgωb + +arsinTS√b2 + ω2 a ] 4,5h Thời điểmkết thúc sôi ?s2= τn 4π[2π −artg2ωb − −arsin(2bTS−a)√b2 + 4ω2 ab ] 9,2h ?đs2= τn 2π[π +artgωb − −arsinTS√b2 + ω2 a ] 10,1h

Thời gian sôi ??s=

τn 4π[π − − 2arsin(2bTS−a)√b2 + 4ω2 ab ] 4,1h ??đs= τn 2π[π − − 2arsinTS√b2 + ω2 a ] 5,6h Lượng nước sôi GS= Gτn4π[π − − 2arsin(2bTS−a)√b2 + 4ω2 ab ] 14,8kg Gđs= Gτn 2π[π − − 2arsinTS√b2 + ω2 a ] 20kg Hiệu suất panel ? = πGCpTsΔτs

Hình 4.10. Hàm nhiệt độ tĩnh t(?) và động tđ(?) của panel nước sôi1m2 có W<WS Các hàm phân bố lập được đã mô tả tương đối đầy đủ và chính xác sự phụ thuộc của nhiệt độ chất lỏng vào thời gian và hầu hết các thông số của panel. Nó cho phép suy ra các công thức tính nhiệt và các điều kiện cần phải đáp ứng khi muốn tăng nhiệt độ hoặc làm sôi chất lỏng trong panel.

Các công thức đưa ra có thể dùng khi tính thiết kế hoặc kiểm tra panel để gia nhiệt hay đun sôi các chất lỏng khác nhau, ở vĩ độ tùy ý, ứng với các giá trị thích hợp của các thông số ? , Cp , tS và En , tọ

Bộ thu kiểu ống cú gương phản xạ dạng parabol trụ

Hình 4.11. Cấu tạo loại module bộ thu đặt nằm ngang Module bộ thu nằm ngang có cấu tạo như hình 4.11, gồm một ống hấp thụ sơn màu đen có chất lỏng chuyển động bên trong, bên ngoài là hai ống thuỷ tinh lồng vào nhau, giữa hai ống thuỷ tinh là lớp không khí hoặc được hút chân không. Tất cả hệ ống hấp thụ và ống thuỷ tinh được đặt trên máng parabol trụ, phương trình biên dạng của parabol trụ là:

y= 4px2

Trong đó: p là khoảng cách đường tiêu điểm đến đáy parabol.

Theo cách bố trí trên dễ dàng thấy rằng tất cả thành phần vuông góc của tia bức xạ mặt trời sau khi đến gương parabol thì phản xạ đến tâm của ống hấp thụ.

Vấn đề là cần xác định các thông số kích thước các bộ phận của module bộ thu và mối quan hệ giữa các thông số sao cho bộ thu có hiệu quả nhất về mặt hấp thụ nhiệt và về mặt kinh tế.

Khảo sát một bộ thu năng lượng mặt trời (module) kiểu ống có gương parabol trụ như hình 4.12.

Hình 4.12. Kết cấu bộ thu dạng ống có gương phản xạ parabol trụ đặtcố định loại đặt nằm ngangđặt cố định nằm ngangBộ thu gồm một ống đồng ở giữa có đường kính d dày ?o, khối lượng riêng ?o nhiệt dung riêng Co, hai bên ống có hàn thêm 2 cánh đồng phẳng có chiều dày ?c, chiều rộng cánh là Wc, hệ số dẫn nhiệt ?c và hiệu suất cánh fc, làm nhiệm vụ hấp thụ năng lượng mặt trời với, hệ ống- cánh được sơn phủ một lớp sơn đen và có độ đen ?, bên trong ống chứa chất lỏng có khối lượng tĩnh m, lưu lượng G[kg/ s] nhiệt dung riêng CP chảy liên tục qua bộ thụ Xung quanh ống được bọc 2 ống thủy tinh có đường kính d1, d2, dày ?k1, ?k2 có hệ số dẫn nhiệt, hệ số bức xạ và hệ số truyền qua lần lượt là ?k1, ?k2, ?1, ?2, D1, D2 làm nhiệm vụ “lồng kính” và cách nhiệt. Giữa các ống thủy tinh và ống đồng là các lớp không khí có hệ số dẫn nhiệt là ?kk hai đầu được đệm kính bằng hai nút cao su dày ?d có đường kính đ và hệ số dẫn nhiệt ?d. Hệ số tỏa nhiệt từ ống thủy tinh ngoài đến không khí có nhiệt độ to là ?. Phía dưới hệ ống